DE69516181T2 - RUTHENIUM-RHENIUM / COAL CATALYST FOR HYDROGENATION IN AQUEOUS SOLUTION - Google Patents

RUTHENIUM-RHENIUM / COAL CATALYST FOR HYDROGENATION IN AQUEOUS SOLUTION

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Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION 1. Gebiet der Erfindung1. Field of the invention

Die Erfindung betrifft einen verbesserten Katalysator und ein Verfahren zum Verwenden des Katalysators für die Hydrierung in wäßriger Lösung. Genauer, aber nicht einschränkend, betrifft die Erfindung die Herstellung von Tetrahydrofuran, γ-Butyrolacton, 1,4-Butandiol und dergleichen, aus einer hydrierbaren Vorstufe, wie Maleinsäure, Bernsteinsäure oder dergleichen in wäßriger Lösung in Anwesenheit von Wasserstoff und einem Katalysator, der im wesentlichen aus hoch dispergiertem, reduziertem Ruthenium und Rhenium auf einem Kohlenstoffträger besteht.The invention relates to an improved catalyst and a process for using the catalyst for hydrogenation in aqueous solution. More particularly, but not by way of limitation, the invention relates to the production of tetrahydrofuran, γ-butyrolactone, 1,4-butanediol and the like from a hydrogenatable precursor such as maleic acid, succinic acid or the like in aqueous solution in the presence of hydrogen and a catalyst consisting essentially of highly dispersed reduced ruthenium and rhenium on a carbon support.

2. Beschreibung der verwandten Technik:2. Description of related technology:

Verschiedene Verfahren und Reaktionssysteme sind in der Vergangenheit vorgeschlagen worden, um Tetrahydrofuran, y-Butyrolacton und 1,4-Butandiol durch katalytische Hydrierung von Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Bernsteinsäure und/oder verwandten hydrierbaren Vorstufen herzustellen. Es wurden im Lauf der Zeit auch verschiedene Hydrierungskatalysatoren für diesen Zweck vorgeschlagen, einschließlich verschiedener Übergangsmetalle und Kombinationen von Übergangsmetallen, die auf verschiedene inerte Träger aufgebracht waren, die sämtlich allgemein in der Technik bekannt sind. Beispielsweise wird in den US-Patenten Nr. 4,985,572 und 5,149,680 ein Verfahren zum Hydrieren einer Carbonsäure oder eines Anhydrids davon zu dem entsprechenden Alkohol und/oder Carbonsäurester unter Verwendung einer Katalysator-Zusammensetzung, die eine Legierung eines Edelmetalls der Gruppe VIII und eines anderen Metalls umfaßt, offenbart und beansprucht. In einem Vergleichstest werden Ruthenium und Rhenium auf einem Träger aus turbostratischem Graphit als Katalysator bei der Einzeldurchgangs-Kolbenströmungshydrierung von Essigsäure verwendet. Ebenso offenbaren die veröffentlichten japanischen Patentanmeldungen (Kokai) 6-157490, 6-179667 und 6-157491 Verfahren zum Herstellen von Tetrahydrofuran durch katalytische Hydrierung von Maleinsäureanhydrid oder Maleinsäure unter milderen Bedingungen in Anwesenheit einer sauren Substanz, wobei als Katalysator in den ersten beiden Literaturstellen eine Rheniumverbindung und ein Metall der Gruppe VIII und in der letztgenannten eine Rutheniumverbindung verwendet wurde. Vergleichsbeispiele in den ersten beiden Literaturstellen veranschaulichten die Verwendung eines Katalysators aus Ruthenium und Rhenium auf Kohlenstoff ohne das Vorhandensein der sauren Substanz. Im allgemeinen werden diese vorgeschlagenen Katalysereaktionen jedoch überwiegend in einem organischen Lösungsmittel oder einem organischen Reaktionsmedium und nicht in einer wäßrigen Lösungsphase durchgeführt. Tatsächlich wird in mindestens einer der bisherigen Veröffentlichungen angenommen, daß Wasser und Bernsteinsäure als hinderlich für die gewünschte Katalyse anzusehen sind, siehe Bulletin of Japan Petroleum Institute, Band 12, Seiten 89 bis 96 (1970). Eine bemerkenswerte Ausnahme von der nicht in der wäßrigen Phase durchgeführten katalytischen Hydrierung ist die Verwendung eines Katalysators auf einem Kohlenstoffträger, der 0,5% bis 10% Palladium und etwa 1% bis 10% Rhenium, bezogen auf das Gesamtgewicht des gestützten Katalysators, enthält, in einer Hydrierungsreaktion in wäßriger Lösung, wobei das Palladium auf dem Kohlenstoffträger in Form von Kristalliten vorliegt, die eine durchschnittliche Größe von etwa 10 nm bis 25 nm aufweisen, und das Rhenium in einer hochdispergierten Phase mit einer durchschnittlichen Größe von weniger als etwa 2,5 nm vorliegt, wie in den US-Patenten Nr. 4,550,185; 4,609,636 und 4,659,686 beschrieben wird. Ebenso wird in einer kürzlich offengelegten japanischen Kokai, 24. September 1993, die Verwendung von reduziertem Ruthenium und Zinn auf einem Aktivkohleträger bei der katalytischen Hydrierung in wäßriger Phase offenbart. Diese Literaturstelle lehrt die Verwendung eines beliebigen Edelmetalls der Gruppe VIII, einschließlich Palladium und Ruthenium, in Kombination mit entweder Zinn, Rhenium oder Germanium. Die Literaturstelle unterscheidet den beanspruchten Gegenstand von dem früheren Pd, Re/Kohlenstoff- Hydrierungssystem in wäßriger Phase des Standes der Technik, indem sie ausdrücklich die Verwendung eines Trägers aus porösem Kohlenstoff beansprucht, der eine BET- Oberfläche von mindestens 2000 m²/g aufweist; ein Konzept und eine Beschränkung, die für das Pd, Re/Kohlenstoffsystem der Patente 4,550,185 und 4,609,636 nicht kennzeichnend ist und eine Beschränkung, die auch keine kritische Bedeutung für diese Erfindung hat.Various processes and reaction systems have been proposed in the past to produce tetrahydrofuran, γ-butyrolactone and 1,4-butanediol by catalytic hydrogenation of maleic acid, maleic anhydride, succinic acid and/or related hydrogenatable precursors. Various hydrogenation catalysts have also been proposed over time for this purpose, including various transition metals and combinations of transition metals supported on various inert supports, all of which are well known in the art. For example, U.S. Patent Nos. 4,985,572 and 5,149,680 disclose and claim a process for hydrogenating a carboxylic acid or anhydride thereof to the corresponding alcohol and/or carboxylic acid ester using a catalyst composition comprising an alloy of a Group VIII noble metal and another metal. In a comparative test, ruthenium and rhenium supported on a turbostratic graphite are used as catalyst in the single-pass, plug-flow hydrogenation of acetic acid. Similarly, Japanese Published Patent Applications (Kokai) 6-157490, 6-179667 and 6-157491 disclose processes for producing tetrahydrofuran by catalytic hydrogenation of maleic anhydride or maleic acid under milder conditions in the presence of an acidic substance, using as the catalyst a rhenium compound and a Group VIII metal in the first two references and a ruthenium compound in the latter. Comparative examples in the first two references illustrated the use of a catalyst of ruthenium and rhenium on carbon without the presence of the acidic substance. In general, however, these proposed catalytic reactions are predominantly carried out in an organic solvent or an organic reaction medium rather than in an aqueous solution phase. In fact, in at least one of the publications to date, water and succinic acid are considered to be detrimental to the desired catalysis, see Bulletin of Japan Petroleum Institute, Volume 12, pages 89 to 96 (1970). A notable exception to non-aqueous phase catalytic hydrogenation is the use of a carbon-supported catalyst containing from 0.5% to 10% palladium and about 1% to 10% rhenium, based on the total weight of the supported catalyst, in an aqueous solution hydrogenation reaction, the palladium on the carbon support being in the form of crystallites having an average size of about 10 nm to 25 nm and the rhenium being in a highly dispersed phase having an average size of less than about 2.5 nm, as in U.S. Patent Nos. 4,550,185; 4,609,636 and 4,659,686. Also, in a recently disclosed Japanese Kokai, September 24, 1993, the use of reduced ruthenium and tin on an activated carbon support in aqueous phase catalytic hydrogenation is disclosed. This reference teaches the use of any Group VIII noble metal, including palladium and ruthenium, in combination with either tin, rhenium or germanium. The reference distinguishes the claimed subject matter from the earlier prior art Pd, Re/carbon aqueous phase hydrogenation system by explicitly claims the use of a porous carbon support having a BET surface area of at least 2000 m²/g; a concept and limitation not characteristic of the Pd, Re/carbon system of patents 4,550,185 and 4,609,636, and a limitation which is not critical to this invention.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Angesichts des Standes der Technik und insbesondere der beschränkten Möglichkeiten im Zusammenhang mit der katalytischen Hydrierung in wäßriger Phase stellt die Erfindung ein hochaktives und unempfindliches Hydrierungs-Katalysatorsystem bereit, das während der Hydrierung einer hydrierbaren Vorstufe in einer wäßrigen Lösung einen hohen Wirkungsgrad zeigt. Genauer stellt die Erfindung einen Katalysator aus Ruthenium und Rhenium auf einem Kohlenstoffträger bereit, wobei beide reduzierten Komponenten einen sehr hohen Dispersionsgrad und ein konsistentes Zusammensetzungsverhältnis aufweisen, wenn sie quantitativ bei einer räumlichen Auflösung im Größenbereich eines Nanometers analysiert werden; d. h. etwaige Unterschiede in ihrer Mikrostruktur liegen im Sub-Nanometer-Bereich. Diese Dispersion der reduzierten Metalle, die ersichtlich im atomaren oder beinahe atomaren Bereich liegt, führt zu Hydrierungsraten, die mit anderen bekannten Katalysatorsystemen mit wäßriger Phase bisher nicht erreicht wurden. Der Katalysator der Erfindung aus reduziertem Ruthenium und Rhenium auf einem Kohlenstoffträger hat auch eine verbesserte Lebensdauer, wodurch über einen längeren Zeitraum unerwartet hohe Hydrierungsraten mit einem günstigeren Verlust an Katalysatoraktivität als Funktion der Zeit erhalten bleiben.In view of the state of the art and in particular the limited possibilities associated with aqueous phase catalytic hydrogenation, the invention provides a highly active and robust hydrogenation catalyst system which exhibits high efficiency during the hydrogenation of a hydrogenatable precursor in an aqueous solution. More specifically, the invention provides a catalyst of ruthenium and rhenium on a carbon support, wherein both reduced components exhibit a very high degree of dispersion and a consistent compositional ratio when quantitatively analyzed at a spatial resolution in the nanometer range; i.e., any differences in their microstructure are in the sub-nanometer range. This dispersion of the reduced metals, which is evidently in the atomic or near-atomic range, results in hydrogenation rates not previously achieved with other known aqueous phase catalyst systems. The reduced ruthenium and rhenium carbon supported catalyst of the invention also has an improved lifetime, maintaining unexpectedly high hydrogenation rates over a longer period of time with a more favorable loss of catalyst activity as a function of time.

Somit stellt die Erfindung ein Verfahren zur katalytischen Hydrierung einer hydrierbaren Vorstufe in einer wäßrigen Lösung bereit, das folgende Schritte umfaßt:Thus, the invention provides a process for the catalytic hydrogenation of a hydrogenatable precursor in an aqueous solution, comprising the following steps:

(a) Hydrieren einer hydrierbaren Vorstufe in einer wäßrigen Lösung in Gegenwart von Wasserstoff und eines Katalysators, wobei der Katalysator im wesentlichen aus wenigstens 0,1 Gew.-% Ruthenium und wenigstens 0,1 Gew.-% Rhenium auf einem Kohlenstoffträger besteht und sich diese Prozentangaben auf das Gesamtgewicht des gestützten Katalysators beziehen, wobei sowohl Ruthenium als auch Rhenium in einem hochdispergierten reduzierten Zustand vorliegen, dadurch charakterisiert, daß Röntgendiffraktion und hochauflösende Transmissions- Elektronenmikroskopie keine erkennbare Metallkristallitstniktur zeigen, wobei der Kohlenstoffträger durch eine BET-Oberfläche von weniger als 2000 m²/g charakterisiert ist; und dann(a) hydrogenating a hydrogenatable precursor in an aqueous solution in the presence of hydrogen and a catalyst, wherein the catalyst consists essentially of at least 0.1% by weight of ruthenium and at least 0.1% by weight of rhenium on a carbon support and these percentages are based on the total weight of the supported catalyst, wherein both ruthenium and rhenium are in a highly dispersed reduced state, characterized in that X-ray diffraction and high resolution transmission electron microscopy show no discernible metal crystallite structure, wherein the carbon support is characterized by a BET surface area of less than 2000 m²/g; and then

(b) Gewinnen wenigstens eines hydrierten Produkts.(b) Obtaining at least one hydrogenated product.

Es ist Hauptziel der Erfindung, ein Katalysatorsystem bereitzustellen, das einen reduzierten, hochdispergierten Zustand sowohl des Rutheniums als auch des Rheniums vorsieht, wenn diese auf einem Träger aus porösem Kohlenstoff aufgebracht sind, das in der Lage ist, in einer wäßrigen Lösung die Hydrierung einer hydrierbaren Vorstufe bei Raum-Zeit-Ausbeuten von über 600 g/kg·h aufrechtzuerhalten. Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Katalysatorsystem aus reduziertem Ruthenium und Rhenium auf einem porösen Kohlenstoffträger bereitzustellen, das sowohl einen hohen Dispersionsgrad als auch ein im wesentlichen konstantes Zusammensetzungsverhältnis von Ruthenium zu Rhenium zeigt, wenn sich die Analyse bei einer räumlichen Auflösung im Nanometerbereich über die Katalysatorteilchen und von Teilchen zu Teilchen erstreckt, was eine mikrostrukturelle Homogenität im Nanometer- oder Sub-Nanometerbereich anzeigt. Die Erreichung dieser Ziele sowie weitere Ziele und deren Erreichung werden beim Lesen der ganzen Beschreibung und der beigefügten Ansprüche deutlich.It is a primary object of the invention to provide a catalyst system which provides a reduced, highly dispersed state of both ruthenium and rhenium when supported on a porous carbon support, which is capable of sustaining the hydrogenation of a hydrogenatable precursor in an aqueous solution at space-time yields in excess of 600 g/kg·h. It is a further object of the invention to provide a catalyst system of reduced ruthenium and rhenium on a porous carbon support which exhibits both a high degree of dispersion and a substantially constant compositional ratio of ruthenium to rhenium when analyzed at a spatial resolution in the nanometer range across the catalyst particles and from particle to particle, indicating microstructural homogeneity in the nanometer or sub-nanometer range. The achievement of these objects, as well as other objects and the means of achieving them, will become apparent upon reading the entire specification and the appended claims.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS

Der Hydrierungskatalysator der Erfindung schließt sowohl Ruthenium als auch Rhenium ein, die in reduzierter, hochdispergierter Form auf einem porösen Kohlenstoffträger vorliegen. Der Katalysator umfaßt mindestens 0,1 Gew.-% jedes Metalls, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, um eine zumindest vernünftige Katalysatoraktivität sicherzustellen. Vorzugsweise liegen die Metallbeladungen auf dem Kohlenstoffträger bei 0,5% bis 10,0% Ruthenium und 1,0% bis 20,0% Rhenium. Ein bevorzugter Katalysator für die Hydrierung von Maleinsäure zu THF enthält etwa 1,0% Ruthenium und etwa 4,0% Rhenium.The hydrogenation catalyst of the invention includes both ruthenium and rhenium in reduced, highly dispersed form on a porous carbon support. The catalyst comprises at least 0.1 weight percent of each metal based on the total weight of the catalyst in order to provide at least a reasonable to ensure catalyst activity. Preferably, the metal loadings on the carbon support are 0.5% to 10.0% ruthenium and 1.0% to 20.0% rhenium. A preferred catalyst for the hydrogenation of maleic acid to THF contains about 1.0% ruthenium and about 4.0% rhenium.

Der Kohlenstoffträger, der in der Erfindung verwendbar ist, kann im allgemeinen aus einem beliebigen der Materialien bestehen, die für die Verwendung auf diesem technischen Gebiet allgemein bekannt und im Handel erhältlich sind. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kohlenstoffträger des Katalysators um poröse Feststoffteilchen, gekennzeichnet durch eine Größenverteilung, die typischerweise im Bereich von 5 bis 100 Mikrometer liegt, und eine BET-Oberfläche, die typischerweise zwischen einigen 100 bis nahezu 2000 m²/g liegt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Kohlenstoffträger um ein im Handel erhältliches Material mit einer durchschnittlichen Teilchengröße im Bereich von 20 Mikrometer und einer BET-Oberfläche von etwa 900 bis etwa 1500 m²/g. Der Katalysatorträger kann so hergestellt werden, daß er einen latent sauren, neutralen oder basischen pH aufweist. Optional kann der Katalysatorträger vor dem Aufbringen des Metalls mit einem oder mehreren in der Technik bekannter Verfahren, wie Imprägnierung mit Alkalimetallsalzen und/oder Calcinierung, behandelt werden.The carbon support useful in the invention may generally be any of the materials well known and commercially available for use in the art. Preferably, the carbon support of the catalyst is porous solid particles characterized by a size distribution typically in the range of 5 to 100 micrometers and a BET surface area typically ranging from a few 100 to nearly 2000 m2/g. Preferably, the carbon support is a commercially available material having an average particle size in the range of 20 micrometers and a BET surface area of about 900 to about 1500 m2/g. The catalyst support may be prepared to have a latently acidic, neutral or basic pH. Optionally, the catalyst support may be treated prior to application of the metal by one or more methods known in the art, such as impregnation with alkali metal salts and/or calcination.

Drei unterschiedliche Verfahren zum Herstellen des hochdispergierten, reduzierten Rutheniums und Rheniums auf einem Kohlenstoffträger werden später erklärt. Jedes dieser Verfahren erzeugt einen Hydrierungskatalysator mit außergewöhnlichen Raum-Zeit-Ausbeuten, wenn er eingesetzt wird, um Maleinsäure in einer wäßrigen Lösung zu hydrieren, wie ebenfalls später genauer erklärt und veranschaulicht.Three different methods for preparing the highly dispersed, reduced ruthenium and rhenium on a carbon support are explained later. Each of these methods produces a hydrogenation catalyst with exceptional space-time yields when used to hydrogenate maleic acid in an aqueous solution, as also explained and illustrated in more detail later.

Eines dieser Verfahren besteht darin, eine wäßrige Lösung einer löslichen Rutheniumverbindung und einer löslichen Rheniumverbindung herzustellen und dann diese Lösung dem Kohlenstoffträger zuzufügen. Das Wasser wird verdampft, wodurch das Ruthenium und das Rhenium auf den Kohlenstoffträger aufgebracht werden. Das tatsächlich angewendete Verfahren zur Zugabe der Lösung zu dem Träger kann auf einer, beliebigen bekannten Technik beruhen, einschließlich von beispielsweise, aber nicht beschränkend: Tauchen, Sprühen oder dergleichen. Das trockene oder teilweise getrocknete Verbundmaterial wird dann für eine Zeit, die ausreicht, um sowohl das Ruthenium als auch das Rhenium zu reduzieren, bei erhöhten Temperaturen einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt. Der trockene oder teilweise getrocknete Katalysator kann dann der Reaktionszone zur Verwendung als Hydrierungskatalysator zugesetzt werden.One of these methods consists in preparing an aqueous solution of a soluble ruthenium compound and a soluble rhenium compound and then adding this solution to the carbon support. The water is evaporated, thereby depositing the ruthenium and rhenium on the carbon support. The actual method used for adding the solution to the support may be based on any known technique, including, for example, but non-limiting: dipping, spraying, or the like. The dry or partially dried composite material is then exposed to a reducing atmosphere at elevated temperatures for a time sufficient to reduce both the ruthenium and rhenium. The dry or partially dried catalyst can then be added to the reaction zone for use as a hydrogenation catalyst.

Ein zweites Verfahren, das mit dem vorstehenden verwandt ist, besteht darin, den Vorgang vollständig in Anwesenheit von Wasser oder der wäßrigen Lösung der hydrierbaren Vorstufe durchzuführen. Bei diesem Verfahren werden die wäßrigen Lösungen der Rutheniumverbindung und der Rheniumverbindung mit der festen Phase aus Kohlenstoffteilchen zusammengemischt, während die chemische Reduktion durchgeführt wird. Der resultierende Katalysator zeigt die Fähigkeit, bei 250ºC die Hydrierung von Maleinsäure in einer wäßrigen Lösung bei 2000 psig Gesamtdruck bei RZA-Werten von über 600 g/kg·h aufrechtzuerhalten. Diese Vorgehensweise ist von besonderem Wert und kommerziellem Interesse, da der Schritt des gemeinsamen Ablagerns und des gemeinsamen Reduzierens tatsächlich in situ im Hydrierungsreaktor durchgeführt und in Anwesenheit der Reaktanten, wie Bernsteinsäure und/oder Maleinsäure, bewirkt werden kann. Ebenso dient die Technik sowohl der gleichzeitigen Aufbringung als auch der gleichzeitigen Reduktion dazu, den Katalysator aus Ruthenium, Rhenium auf Kohlenstoff von dem bisher gelehrten Palladium, Rhenium auf Kohlenstoff zu unterscheiden, bei dem das sequentielle Aufbringen und Reduzieren von Palladium und Rhenium erforderlich ist, um eine gute Aktivität des Hydrierungskatalysators zu ergeben. Der bloße Umstand, daß im vorliegenden Fall diese Verfahren der gleichzeitigen Aufbringung und Reduktion die gleichmäßigste Mikrostruktur ergeben (wie später bei der Beschreibung der Bedeutung der Nanometer- und Sub-Nanometerstruktur behandelt und erklärt werden wird), stützt die Schlußfolgerung, daß die beobachtete unerwartet hohe Katalysatoraktivität des Ru, Re/O-Katalysators (d. h. Spitzenwert RZA 1200 und aufrechterhaltene RZA > 600) im Vergleich zur Aktivität des Pd, Re/C-Katalysators des Standes der Technik (d. h. RZA typischerweise 300 bis unter 500) mit dessen bekannter Ungleichmäßigkeit und Verschiedenartigkeit der Kristallitverteilung und Mikrostruktur irgendwie kausal zusammenhängt oder zumindest ein Unterscheidungsmerkmal ist. Mit anderen Worten besteht ein grundlegender Unterschied sowohl in der Mikrostruktur des vorliegenden Katalysatorsystems im Vergleich zu dem bisher bekannten wäßrigen Hydrierungskatalysatorsystem auf der Grundlage von Palladium und Rhenium als auch in dem unerwarteten Anstieg der Katalysatoraktivität.A second method, related to the above, is to carry out the operation entirely in the presence of water or the aqueous solution of the hydrogenatable precursor. In this method, the aqueous solutions of the ruthenium compound and the rhenium compound are mixed together with the solid phase of carbon particles while the chemical reduction is carried out. The resulting catalyst exhibits the ability to sustain the hydrogenation of maleic acid in an aqueous solution at 250°C at 2000 psig total pressure at STY values in excess of 600 g/kg·h. This approach is of particular value and commercial interest because the co-deposition and co-reduction steps can actually be carried out in situ in the hydrogenation reactor and effected in the presence of the reactants, such as succinic acid and/or maleic acid. Likewise, the technique of both simultaneous deposition and simultaneous reduction serves to distinguish the ruthenium, rhenium on carbon catalyst from the palladium, rhenium on carbon catalyst taught heretofore, where sequential deposition and reduction of palladium and rhenium is required to give good hydrogenation catalyst activity. The mere fact that in the present case these simultaneous deposition and reduction techniques give the most uniform microstructure (as will be discussed and explained later in describing the importance of nanometer and sub-nanometer structure) supports the conclusion that the observed unexpectedly high catalyst activity of the Ru, Re/O catalyst (i.e. peak STY 1200 and maintained STY > 600) compared to the activity of the prior art Pd, Re/C catalyst (i.e. STY typically 300 to below 500) with its known non-uniformity and variability of Crystallite distribution and microstructure are somehow causally related or at least are a distinguishing feature. In other words, there is a fundamental difference both in the microstructure of the present catalyst system compared to the previously known aqueous hydrogenation catalyst system based on palladium and rhenium and in the unexpected increase in catalyst activity.

Das dritte Verfahren zum Herstellen des Katalysators besteht darin, das Ruthenium sequentiell auf dem Kohlenstoffträger aufzubringen und zu reduzieren und dann die Rheniumverbindung zuzufügen, um so das Rhenium auf dem gleichen Kohlenstoffträger aufzubringen und zu reduzieren. Auf diese Weise wird das Ruthenium vorreduziert, bevor das Rhenium aufgebracht und anschließend reduziert wird. Wiederum kann, wie bei den obenstehenden Verfahren der gemeinsamen Aufbringung und Reduktion, die Zwischenstufe mit Ruthenium auf Kohlenstoff entweder in wäßriger Lösung oder im trockenen Zustand erreicht werden. Dieses Verfahren bietet auch die Möglichkeit, das endgültige Aufbringen und Reduzieren der Rheniumverbindung im Hydrierungsreaktor in situ durchzuführen, indem man das Ruthenium auf Kohlenstoff zusammen mit Perrheniumsäure oder dergleichen direkt in den Hydrierungsreaktor gibt.The third method of preparing the catalyst is to sequentially support and reduce the ruthenium on the carbon support and then add the rhenium compound so as to support and reduce the rhenium on the same carbon support. In this way, the ruthenium is pre-reduced before the rhenium is supported and then reduced. Again, as with the above co-support and co-reduction methods, the intermediate ruthenium on carbon can be achieved either in aqueous solution or in the dry state. This method also offers the possibility of carrying out the final support and reduction of the rhenium compound in situ in the hydrogenation reactor by adding the ruthenium on carbon directly to the hydrogenation reactor together with perrhenic acid or the like.

Es ist klar, daß verschiedene andere Verfahren oder alternative Arten der Ablagerung der Ruthenium- und/oder Rheniumverbindungen auf dem Kohlenstoffträger, die sämtlich in der Technik bekannt sind, beispielsweise selektive Ausfällung oder dergleichen, optional mit oder ohne Lösungsmittel-Waschen, um weniger erwünschte begleitende Anionen zu entfernen, als gleichwertige Vorgehensweisen zum Herstellen des Katalysators der Erfindung in Frage kommen.It will be understood that various other methods or alternative ways of depositing the ruthenium and/or rhenium compounds on the carbon support, all of which are known in the art, for example selective precipitation or the like, optionally with or without solvent washing to remove less desirable accompanying anions, may be considered equivalent procedures for preparing the catalyst of the invention.

Bei den Rutheniumverbindungen, die in der Erfindung verwendbar sind, um den Katalysator herzustellen, kann es sich allgemein um beliebige der Verbindungen handeln, die entweder wasserlöslich sind oder auf einfache Weise in eine wasserlösliche oder teilweise wasserlösliche Verbindung umgewandelt werden können, welche auf den Kohlenstoffträger aufgebracht werden kann. Dies würde beispielsweise aber nicht beschränkenderweise solche Verbindungen wie RuCl&sub3;·xH&sub2;O, Ru(NO)(NO&sub3;)&sub3; und dergleichen einschließen. Vorzugsweise wird Rutheniumtrichlorid verwendet.The ruthenium compounds which can be used in the invention to prepare the catalyst can generally be any of the compounds which are either water-soluble or can be easily converted into a water-soluble or partially water-soluble compound which can be applied to the carbon support. However, this would not, for example, limitingly include such compounds as RuCl₃·xH₂O, Ru(NO)(NO₃)₃ and the like. Preferably, ruthenium trichloride is used.

Bei den Rheniumverbindungen, die in der Erfindung verwendbar sind, um den Katalysator herzustellen, kann es sich allgemein um beliebige der Verbindungen handeln, die entweder wasserlöslich sind oder die auf einfache Weise durch die Wirkung einer oxidierenden Säurelösung, von Wasserstoffperoxid oder dergleichen in eine wasserlösliche oder teilweise wasserlösliche Rheniumverbindung umgewandelt werden können. Als solches ist die wäßrige Perrheniumchemie einschließlich der Aufbringung des entsprechenden Rheniumoxids besonders nützlich. Vorzugsweise wird eine Perrheniumsäurelösung verwendet.The rhenium compounds useful in the invention to prepare the catalyst can generally be any of the compounds that are either water soluble or that can be readily converted to a water soluble or partially water soluble rhenium compound by the action of an oxidizing acid solution, hydrogen peroxide or the like. As such, aqueous perrhenium chemistry including the application of the corresponding rhenium oxide is particularly useful. Preferably, a perrhenic acid solution is used.

Bei dem Reduktionsmittel, das verwendet wird, um das Ruthenium und/oder das Rhenium chemisch zu reduzieren, kann es sich allgemein um ein solches Reduktionsmittel oder eine solche reduzierende Umgebung handeln, das bzw. die entweder mit der Reduktion in der flüssigen Phase oder der Reduktion in der Dampfphase vereinbar ist, beispielsweise aber nicht beschränkenderweise: Formaldehyd, Hydrazinhydrat, Hydroxylamin, Natriumhypophosphit, Natriumformiat, Glucose, Acetaldehyd, Natriumborhydrid, Wasserstoff und dergleichen. Wenn eine Reduktion in der Dampfphase, die gasförmigen Wasserstoff mit oder ohne ein inertes Verdünnungsgas, wie Stickstoff oder dergleichen, einschließt, in Anwesenheit der festen Katalysatorvorstufe angewendet wird, wird die Reduktion in der Dampfphase typischerweise bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 500ºC (vorzugsweise 250-300ºC) bei Atmosphärendruck durchgeführt.The reducing agent used to chemically reduce the ruthenium and/or rhenium can generally be any reducing agent or reducing environment compatible with either liquid phase reduction or vapor phase reduction, for example but not limited to: formaldehyde, hydrazine hydrate, hydroxylamine, sodium hypophosphite, sodium formate, glucose, acetaldehyde, sodium borohydride, hydrogen, and the like. When vapor phase reduction, including gaseous hydrogen with or without an inert diluent gas such as nitrogen or the like, is employed in the presence of the solid catalyst precursor, the vapor phase reduction is typically carried out at a temperature in the range of 100 to 500°C (preferably 250-300°C) at atmospheric pressure.

Das Verfahren unter Verwendung des Katalysators aus hochdispergiertem, reduziertem Ruthenium und Rhenium auf Kohlenstoff, um einen hydrierbaren Vorläufer gemäß der Erfindung zu hydrieren, kann mittels verschiedener Durchführungformen, wie allgemein in der Technik bekannt, ausgeführt werden. So kann das allgemeine Hydrierungsverfahren durchgeführt werden, indem man einen Festbettreaktor, verschiedene Arten von gerührten Suspensionsreaktoren oder dergleichen, entweder auf diskontinuierliche oder kontinuierliche Weise, verwendet, wobei eine wäßrige flüssige Phase, die den hydrierbaren Vorläufer enthält, mit einer gasförmigen Phase, die Wasserstoff bei erhöhtem Druck enthält, und dem Feststoffkatalysator in Teilchenform in Kontakt steht. Typischerweise werden solche Hydrierungsreaktionen bei Temperaturen von etwa 100ºC bis etwa 300ºC in verschlossenen Reaktoren durchgeführt, die bei Drücken von etwa 1000 bis etwa 3000 psig gehalten werden.The process using the highly dispersed reduced ruthenium and rhenium on carbon catalyst to hydrogenate a hydrogenatable precursor according to the invention can be carried out by various modes of operation as generally known in the art. Thus, the general hydrogenation process can be carried out by using a fixed bed reactor, various types of stirred slurry reactors or the like, either on batch or continuous manner, wherein an aqueous liquid phase containing the hydrogenatable precursor is in contact with a gaseous phase containing hydrogen at elevated pressure and the solid catalyst in particulate form. Typically, such hydrogenation reactions are carried out at temperatures of from about 100°C to about 300°C in sealed reactors maintained at pressures of from about 1000 to about 3000 psig.

Für die Zwecke der Erfindung kann es sich bei dem hydrierbaren Vorläufer im weitesten Sinne um eine beliebige Verbindung oder ein beliebiges Material handeln, die bzw. das durch Hydrierung oder Wasserstoffaufnahme chemisch reduziert werden kann. Dies würde insbesondere, aber wiederum nicht beschränkend, verschiedene organische Verbindungen einschließen, die ungesättigte Gruppen oder oxidierte organische funktionelle Gruppen oder beides enthalten. Insbesondere veranschaulicht die katalytische Hydrierung von Maleinsäure zu γ-Butyrolacton und Tetrahydrofuran in der wäßrigen Phase die Nützlichkeit des Verfahrens der Erfindung. In diesem Zusammenhang und wie in den Beispielen veranschaulicht, sollte klar sein, daß verschiedene Produkte der sequentiellen Hydrierungsreaktion ebenso potentielle hydrierbare Vorstufen sind. Mit anderen Worten ist bekannt, daß bei der Umwandlung von Maleinsäure zu Tetrahydrofuran die chemische Reduktion sequentiell ist, was die rasche Addition von Wasserstoff an die Doppelbindung einschließt, wodurch Maleinsäure zu Bernsteinsäure umgewandelt wird, gefolgt von der langsameren Addition von Wasserstoff, wodurch potentielle Zwischenstufen wie γ-Butyrolacton und/oder Butandiol und schließlich das erwünschte Tetrahydrofuran gebildet werden (was der Aufnahme von fünf Mol H, und der Bildung von drei Mol H&sub2;O pro Mol THF entspricht). Bei der industriellen Herstellung kann die allgemeine Selektivität in Bezug auf die THF-Produktion durch die Optimierung der Reaktionsbedingungen deutlich beeinflußt werden, einschließlich der Beibehaltung eines entsprechenden Säuregrades, wodurch der Ringschluß und die Bildung von zyklischem Ether auf Kosten der Bildung von Diol, die kontinuierliche Entfernung des Dampfs aus den flüchtigeren Produkten und die anschließende Trennung und Rückführung des Lactons begünstigt werden. Es ist klar, daß in diesem Fall das γ-Butyrolacton entweder als ein Nebenprodukt oder als rückgeführter hydrierbarer Vorstufenreaktant angesehen werden kann.For the purposes of the invention, the hydrogenatable precursor can be broadly defined as any compound or material that can be chemically reduced by hydrogenation or hydrogen uptake. This would particularly include, but again not by limitation, various organic compounds containing unsaturated groups or oxidized organic functional groups, or both. In particular, the catalytic hydrogenation of maleic acid to γ-butyrolactone and tetrahydrofuran in the aqueous phase illustrates the utility of the process of the invention. In this context, and as illustrated in the examples, it should be understood that various products of the sequential hydrogenation reaction are also potential hydrogenatable precursors. In other words, it is known that in the conversion of maleic acid to tetrahydrofuran, the chemical reduction is sequential, involving the rapid addition of hydrogen to the double bond, converting maleic acid to succinic acid, followed by the slower addition of hydrogen, forming potential intermediates such as γ-butyrolactone and/or butanediol and finally the desired tetrahydrofuran (which corresponds to the uptake of five moles of H and the formation of three moles of H₂O per mole of THF). In industrial production, the overall selectivity towards THF production can be significantly influenced by the optimization of the reaction conditions, including the maintenance of an appropriate degree of acidity, thus favoring ring closure and the formation of cyclic ether at the expense of the formation of diol, the continuous removal of the vapor from the more volatile products and the subsequent separation and recycling of the lactone. It is clear that in this case the γ-Butyrolactone can be considered either as a byproduct or as a recycled hydrogenatable precursor reactant.

Für die Zwecke der Erfindung wird, wenn auf hochdispergierte reduzierte Phasen mit einem im wesentlichen konstanten Zusammensetzungsverhältnis von Ruthenium zu Rhenium Bezug genommen wird, wenn sie mit einer räumlichen Empfindlichkeit in der Größenordnung eines Quadratnanometers analysiert werden, jeweils auf die quantitative Analyse des Ruthenium- und des Rhenium-Elements Bezug genommen, die in einem Bereich des Katalysatorträgers bis hinunter zu physikalischen Abmessungen im Größenbereich von einem Nanometer beobachtet oder gemessen werden. Diese Angabe beschreibt einen Grad an Homogenität, der bei relativ geringen physikalischen Abmessungen vorliegt, was mit der bisherigen Angabe übereinstimmt, daß sämtliche mikrostrukturellen Unterschiede im Zusammenhang mit den reduzierten Metallen im Nanometer- oder Sub-Nanometerbereich liegen. Dies stimmt wiederum mit der Auffassung überein, daß bei dem Katalysator der Erfindung die jeweiligen Metalle, die auf dem Katalysatorträger vorhanden sind, als Dispersion nahezu in der Größenordnung von Atomen oder nahezu Atomen vorliegen. Man sollte sich jedoch auch darüber klar sein, daß diese Angabe und diese Beobachtungen und Messungen weder das Vorhandensein von zusätzlichen Mikrostrukturen mit Abmessungen, die über die Nanometergrenze hinausgehen, noch wahrnehmbare Änderungen in der Mikrostruktur, die leicht über dem Nanometerbereich liegen, ausschließen, die mit der Wahl der Herstellungsverfahren und mit der Ermüdung des Katalysators während der Nutzung zusammenhängen, und auch nicht erkennbare labile Struktureigenschaften unter der Nanometer-Beobachtungsgrenze (von denen allen man zur Zeit annimmt, daß sie zu einem gewissen Grad für das vorliegende Katalysatorsystem kennzeichnend sind).For the purposes of the invention, when reference is made to highly dispersed reduced phases having a substantially constant compositional ratio of ruthenium to rhenium when analyzed with a spatial sensitivity on the order of one square nanometer, reference is made to the quantitative analysis of the ruthenium and rhenium elements observed or measured in a region of the catalyst support down to physical dimensions on the order of one nanometer. This expression describes a degree of homogeneity present at relatively small physical dimensions, which is consistent with the previous statement that all microstructural differences associated with the reduced metals are in the nanometer or sub-nanometer range. This in turn is consistent with the notion that in the catalyst of the invention the respective metals present on the catalyst support are present as a dispersion on the order of atoms or nearly atoms. However, it should also be understood that this statement and these observations and measurements do not exclude the presence of additional microstructures with dimensions exceeding the nanometer limit, nor observable changes in the microstructure slightly above the nanometer range related to the choice of manufacturing processes and to fatigue of the catalyst during use, nor observable labile structural features below the nanometer observation limit (all of which are currently believed to be characteristic to some extent of the present catalyst system).

Beispielsweise und umgekehrt ist es allgemein bekannt, daß die Herstellung eines Bimetall-Katalysators, der Rhenium (Aufbringung von Rhenat als Rheniumheptaoxid) enthält, ausdrücklich eine Mobilität einschließt (siehe S. B. Ziemecki., G. A. Jones und J. B. Michel, "Surface Mobility of Re&sub2;O&sub7; in the System Re&sup7;+Pd&sup0;/γ-Al&sub2;O&sub3; ", Journal of Catalysis 99, S. 207-216, 1986), wodurch zumindest die Möglichkeit einer Wanderung des Rheniums unter der Wahrnehmungsgrenze angenommen wird. In bezug auf die Ermüdung des Katalysators während seiner Verwendung wurde eine wahrnehmbare Rutheniumphase in gebrauchten Katalysatoren beobachtet, wo anfänglich kein wahrnehmbares Ruthenium oder Rhenium vorhanden war, was eine bestimmte Form der Mobilität im Zusammenhang mit dem Ruthenium vermuten läßt. Die Entwicklung des wahrnehmbaren Rutheniums während der Verwendung liegt jedoch im allgemeinen im Bereich der durchschnittlichen Porengröße des porösen Kohlenstoffträgers (d. h. typischerweise 20 Å oder dergleichen), was immer noch einen stärker dispergierten Zustand darstellt als derjenige, der zuvor im Zusammenhang mit den Katalysatorsystemen des Standes der Technik, wie Palladium und Rhenium auf Kohlenstoff, erwähnt wurde. Es kann auch ein wahrnehmbares Ruthenium abhängig von dem Herstellungsverfahren für den Katalysator beobachtet werden. Somit kann ein Katalysator, der durch sequentielle Ablagerung und Reduktion hergestellt wird, was beinhaltet, daß das Ruthenium abgelagert und reduziert wird, bevor das Rhenium abgelagert und reduziert wird, in gewissem Umfang eine wahrnehmbare Rutheniummikrostruktur von einigen wenigen Nanometern oder etwas darüber zeigen. Die Aufbringung und Reduktion von Ruthenium in Abwesenheit von Rhenium kann erkennbare Rutheniumanordnungen erzeugen, die nicht mit der mikroporösen Struktur des Kohlenstoffs zusammenhängen und die nicht notwendigerweise der Entwicklung des erwünschten hochaktiven Katalysators entgegenstehen, von der man annimmt, daß sie mit dem stark dispergierten Zustand der Metalle bei einem konstanten Zusammensetzungsverhältnis in Zusammenhang steht. Typischerweise ist der gemeinsam abgelagerte und anschließend gemeinsam reduzierte Katalysator bemerkenswerterweise frei von jeder wahrnehmbaren Phasen- oder Oberflächen-Kristallitmikrostruktur und wird als solcher als bevorzugter Katalysator für die Zwecke der Erfindung angesehen.For example, and conversely, it is well known that the preparation of a bimetallic catalyst containing rhenium (application of rhenate as rhenium heptaoxide) explicitly involves mobility (see SB Ziemecki., GA Jones and JB Michel, "Surface Mobility of Re₂O₇ in the System Re⁷+Pd⁰/γ-Al⁷O₃ ", Journal of Catalysis 99, pp. 207-216, 1986), thereby at least allowing the possibility of migration of rhenium is assumed to be below the limit of perception. With respect to catalyst fatigue during use, a perceptible ruthenium phase has been observed in used catalysts where initially no perceptible ruthenium or rhenium was present, suggesting some form of mobility associated with the ruthenium. However, the evolution of perceptible ruthenium during use is generally within the range of the average pore size of the porous carbon support (i.e., typically 20 Å or so), which is still a more dispersed state than that previously mentioned in connection with the prior art catalyst systems such as palladium and rhenium on carbon. Perceptible ruthenium may also be observed depending on the method of preparation for the catalyst. Thus, a catalyst prepared by sequential deposition and reduction, which involves depositing and reducing the ruthenium before depositing and reducing the rhenium, can exhibit some discernible ruthenium microstructure of a few nanometers or slightly larger. The deposition and reduction of ruthenium in the absence of rhenium can produce discernible ruthenium arrangements that are unrelated to the microporous structure of the carbon and that do not necessarily interfere with the development of the desired highly active catalyst, which is believed to be related to the highly dispersed state of the metals at a constant composition ratio. Typically, the co-deposited and subsequently co-reduced catalyst is remarkably free of any discernible phase or surface crystallite microstructure and as such is considered the preferred catalyst for the purposes of the invention.

Die folgenden Beispiele werden angegeben, um verschiedene einzelne Aspekte und Eigenschaften der Erfindung detaillierter zu demonstrieren und weiter zu verdeutlichen, während die Vergleichsbeispiele und -angaben die Unterschiede und Vorteile der Erfindung weiter veranschaulichen sollen. Die Beispiele sollen nicht beschränkend sein und die Erfindung veranschaulichen aber nicht irgendwie auf unangemessene Weise einschränken, insbesondere im Hinblick auf die endgültigen Eigenschaften des verbesserten Katalysators und die Nützlichkeit des beanspruchten verbesserten Verfahrens.The following examples are provided to demonstrate and further clarify various individual aspects and features of the invention in more detail, while the comparative examples and data are intended to further illustrate the differences and advantages of the invention. The examples are not intended to be limiting and do not illustrate the invention in any way. unduly limit, particularly with regard to the ultimate properties of the improved catalyst and the utility of the claimed improved process.

BEISPIEL 1EXAMPLE 1

Wäßrige Lösungen von RuCl&sub3;·xH&sub2;O (2,0305 Gramm einer i%-igen Rutheniumlösung) und HReO&sub4; (1,104 Gramm einer 7,7%-igen Rheniumlösung) wurden gemischt und die resultierende Lösung zu 2,03 Gramm eines teilchenförmigen Kohlenstoffträgers (durchschnittliche Teilchengröße etwa 20 um), der selber sauer war (pH = 4 - 4,5), mit einer BET-Oberfläche von etwa 1500 m²/g, gegeben. Die Mischung wurde über Nacht bei 110ºC bei verringertem Druck (in vacuo) unter Stickstoffspülung getrocknet. Der getrocknete Katalysator wurde dann in 150 cm³ großen Quarzschiffchen in ein 1500 cm³ fassendes Quarzrohr mit einem Durchmesser von 6,35 cm (2,5 Zoll) gegeben, das in einem Röhrenofen horizontal ausgerichtet war. Eine Stickstoffspülung wurde 15 Minuten lang bei Raumtemperatur bei einem Strom von 500 cm³/min durchgeführt. Der Strom wurde auf Helium mit 100 cm³/min umgestellt und 25 Minuten lang gehalten. Die Temperatur wurde dann eine Stunde lang auf 150ºC erhöht. Nach dem einstündigen Halten wurden 100 cm³/min Wasserstoff dem Strom zugegeben und dieser wurde eine Stunde lang bei 150ºC gehalten. Die Temperatur wurde dann auf 300ºC mit einem H&sub2;-He-Strom von 1 : 1 erhöht und dann acht Stunden lang gehalten. Nach dieser Zeitdauer wurde der Strom auf Helium umgestellt und der Katalysator über Nacht in Helium abgekühlt. Sobald die Temperatur unter 50ºC betrug, wurde der Katalysator 30 Minuten lang in strömendem 1%-igem O&sub2; in N&sub2; passiviert. Der resultierende Katalysator aus 1 Gew.-% Ru und 4 Gew.-% Re auf Kohlenstoff wurde in dem Reaktor getestet, wie in den folgenden Beispielen beschrieben. Bei der Untersuchung mit herkömmlicher Röntgendiffraktion und hochauflösender Transmissions-Elektronenmikroskopie zeigte der Katalysator keine wahmehmbare Metall-Kristallitstruktur (d. h. keine separaten Strukturen mit einer Größe > 10 Å, abgesehen von der Hintergrund-Kohlenstoffstruktur). Die chemische Analyse mit EDX bestätigt jedoch, daß das Gewichtsverhältnis von eins zu vier des Rutheniums zu dem Rhenium auf dem Kohlenstoffteilchen und von Teilchen zu Teilchen im wesentlichen gleichmäßig vorlag.Aqueous solutions of RuCl3.xH2O (2.0305 grams of a 1% ruthenium solution) and HReO4 (1.104 grams of a 7.7% rhenium solution) were mixed and the resulting solution was added to 2.03 grams of a particulate carbon support (average particle size about 20 µm) which was itself acidic (pH = 4 - 4.5) with a BET surface area of about 1500 m2/g. The mixture was dried overnight at 110°C under reduced pressure (in vacuo) under a nitrogen purge. The dried catalyst was then placed in 150 cc quartz boats in a 1500 cc quartz tube with a 6.35 cm (2.5 inch) diameter, horizontally oriented in a tube furnace. A nitrogen purge was carried out for 15 minutes at room temperature at a flow of 500 cc/min. The flow was switched to helium at 100 cc/min and held for 25 minutes. The temperature was then increased to 150°C for one hour. After the one hour hold, 100 cc/min of hydrogen was added to the flow and it was held at 150°C for one hour. The temperature was then increased to 300°C with a 1:1 H2-He flow and then held for eight hours. After this period, the flow was switched to helium and the catalyst was cooled in helium overnight. Once the temperature was below 50°C, the catalyst was passivated in flowing 1% O2 in N2 for 30 minutes. The resulting catalyst of 1 wt.% Ru and 4 wt.% Re on carbon was tested in the reactor as described in the following examples. When examined by conventional X-ray diffraction and high resolution transmission electron microscopy, the catalyst showed no discernible metal crystallite structure (i.e. no separate structures with a size > 10 Å apart from the background carbon structure). However, chemical analysis by EDX confirms that the weight ratio of one to four of the ruthenium to the rhenium on the carbon particle and from particle to particle was essentially uniform.

Somit sollte man sich darüber klar sein, daß für die Ansprüche der Erfindung die Angabe "wobei sowohl Ruthenium als auch Rhenium mit einem konstanten Zusammensetzungsverhältnis von Ruthenium zu Rhenium dispergiert sind, wenn durch STEM die Katalysatorteilchen mit einer räumlichen Auflösung in der Größenordnung von einem Quadratnanometer analysiert werden" die Bedeutung hat wie oben veranschaulicht. Die Messung wurde durchgeführt, indem man eine Feldemissions-STEM anwendete, bei der ein stark gebündelter Elektronenstrahl benutzt wird, der auf etwa einen Quadratnanometer der Katalysatorobeffläche auftrifft (d. h. Durchtritt des Elektronenstrahls mit einem Querschnittsdurchmesser von einem Quadratnanometer durch den Katalysator).Thus, it should be understood that for the purposes of the claims of the invention, the statement "wherein both ruthenium and rhenium are dispersed at a constant composition ratio of ruthenium to rhenium when STEM analyzes the catalyst particles with a spatial resolution on the order of one square nanometer" has the meaning illustrated above. The measurement was made using field emission STEM, which uses a highly collimated electron beam incident on approximately one square nanometer of the catalyst surface (i.e., passing the electron beam through the catalyst with a cross-sectional diameter of one square nanometer).

BEISPIEL 2EXAMPLE 2

2,0216 Gramm einer wäßrigen Rutheniumtrichlorid-Lösung mit einem Rutheniumgehalt von 1% wurden zu 2,07 Gramm eines teilchenförmigen Kohlenstoffträgers gegeben, der eine BET-Oberfläche von 1500 m²/g aufwies und selber sauer war (pH 4 - 4,5). Die Mischung wurde über Nacht bei 110ºC bei verringertem Druck (in vacuo) mit einer Stickstoffspülung getrocknet. Die Reduktion des Rutheniummetallsalzes, das auf dem Kohlenstoffträger aufgebracht war, wurde dann mit dem trockenen Material im wesentlichen wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt.2.0216 grams of an aqueous ruthenium trichloride solution containing 1% ruthenium was added to 2.07 grams of a particulate carbon support having a BET surface area of 1500 m2/g and being acidic itself (pH 4 - 4.5). The mixture was dried overnight at 110°C under reduced pressure (in vacuo) with a nitrogen purge. Reduction of the ruthenium metal salt supported on the carbon support was then carried out on the dry material essentially as described in Example 1.

BEISPIEL 3EXAMPLE 3

0,5100 Gramm einer 1%-igen Rutheniumlösung, die von RuCl&sub3;·xH,O stammte, wurden mit 0,2780 Gramm einer HReO&sub4;-Lösung (7, 7% Re aus Re-07) gemischt. Dazu wurden 35,2574 Gramm einer 7%-igen Bernsteinsäurelösung gegeben. Diese Lösung wurde zusammen mit 0503 Gramm eines sauren teilchenförmigen Kohlenstoffs (B ET 1,500 m²/g) in einen 125 ml-Hastelloy C-Autoklaven gegeben. Der Reaktor wurde mit Stickstoff auf undichte Stellen überprüft, und dann wurde Wasserstoff in den Reaktor eingeführt, und die Reaktion wurde wie in den Beispielen 4-15 beschrieben durchgeführt.0.5100 grams of a 1% ruthenium solution derived from RuCl3.xH2O was mixed with 0.2780 grams of a HReO4 solution (7.7% Re from Re-07). To this was added 35.2574 grams of a 7% succinic acid solution. This solution was placed in a 125 ml Hastelloy C autoclave along with 0.503 grams of an acidic particulate carbon (B ET 1.500 m2/g). The reactor was checked for leaks with nitrogen and then hydrogen was added to the reactor. and the reaction was carried out as described in Examples 4-15.

BEISPIELE 4 bis 15EXAMPLES 4 to 15

Um die Katalysatoren der Erfindung aus Ruthenium/Rhenium auf Kohlenstoff zu bewerten, wurde eine Reihe von diskontinuierlichen Hydrierungsreaktionen unter Verwendung von Bernsteinsäure als hydrierbarer Vorstufe (d. h. als Reaktant) durchgeführt. Bei der verwendeten Ausrüstung handelte es sich um einen 125 ml-Autoklaven, bezogen von Autoclave Engineers of Erie, Pennsylvania. Der Autoklav war mit einer magnetisch gekoppelten Rührvorrichtung, die durch einen Luftmotor angetrieben wurde, ausgerüstet. Ein Satz abnehmbarer Leitbleche (drei vertikale Streifen aus Hastalloy C, die auf zwei Hastalloy C-Ringe geschweißt waren) wurden verwendet, um das Rühren zu unterstützen. Gase wurden unter Verwendung einer Haskell-Pumpe, die in der Lage war, bis zu 17,24 MPag (2500 psig) zu pumpen, in den Reaktor gepumpt. Der verwendete Stickstoff kam in CP-Qualität aus einer Gasflasche, der Stickstoff kam aus einer Gasflasche, bei der Bernsteinsäure handelte es sich um Baker Analyzed Kristall von Reagensqualität und das Wasser war entionisiertes Wasser. 7-gewichtsprozentige Lösungen von Bernsteinsäure wurden in Chargen von 500 Gramm hergestellt, indem man 35 Gramm Bernsteinsäure in 465 Gramm entionisiertem Wasser auflöste. Die Lösungen wurden auf 30ºC erwärmt, um die Bernsteinsäure vollständig aufzulösen. Die Lösungen wurden dann titriert, um den Prozentanteil der Säure genau zu bestimmen. Die angewendete Vorgehensweise beinhaltete die Zugabe des Katalysators (typischerweise etwa 0,1 bis 0,5 Gramm) in den Reaktor, gefolgt von 35 Gramm 7%-iger Bernsteinsäurelösung. Das Kopfteil wurde dann auf den Reaktor gesetzt, an seinem Platz verschraubt und nach unten gedreht. Stickstoff wurde dann unter Verwendung der Hastell-Pumpe bis auf 2400 psiag in den Reaktor gepumpt, um zu untersuchen, ob irgendwelche undichte Stellen in dem System vorhanden waren. Wenn der Druck nicht konstant blieb, wurden undichte Stellen mittells Snoop aufgespürt und repariert. Wenn keine undichten Stellen entdeckt wurden, wurde der Stickstoff langsam abgelassen. Nachdem der Stickstoff bis auf Atmosphärendruck abgelassen worden war, wurde Wasserstoff mit der Haskell-Pumpe bis auf 8,27 Mpag (1200 psig) in den Reaktor gepumpt. Der Rührer wurde auf 700 Upm eingestellt und die Heizung angestellt. Der Inhalt des Reaktors wurde auf 250ºC erwärmt, wofür etwa 1 Stunde nötig war. Sobald die Innentemperatur 250ºC erreichte, wurde 3 Stunden lang weitergerührt. Nach 3-stündigem Rühren bei 250ºC wurde die Heizung abgestellt und Kühlwasser in den Mantel, der den Reaktor umgab, geleitet. Sobald der Reaktorinhalt auf unter 25ºC (etwa 0,5 Stunden) abgekühlt war, wurde der Luftmotor abgestellt und der Wasserstoff sehr langsam abgelassen. Sobald der Wasserstoff bis auf Atmosphärendruck abgelassen worden war, wurden die Schrauben entfernt. Der Inhalt wurde rasch unter Verwendung einer 60 ml-Einwegspritze mit einer Edelstahlnadel mit großer Öffnung aus dem Reaktor entnommen. Nachdem die Probe aus dem Reaktor entnommen worden war, wurden 10 ml unter Verwendung einer 10 ml-Einwegspritze und eines 0,45 Mikrometer-PTFE-Spritzenfilters gefiltert. Eine Probe davon wurde durch GC auf Tetrahydrofuran, 1-Propanol, n-Butanol, gamma-Butyrolacton und 1,4- Butandiol unter Verwendung eines Hewlett-Packard-5890A-Instruments analysiert und ein Teil wurde bezüglich restlicher Bernsteinsäure titriert. Zur Tütration wurden etwa 8 Gramm gefilterte Lösung in ein 150 ml-Becherglas gewogen, wobei das Gewicht auf 4 Dezimalstellen genau notiert wurde. Ein magnetischer Rührstab und eine Rührplatte wurden verwendet, um die Lösung zu rühren. Eine paar Tropfen Phenolphthalein- Lösung wurden zugegeben und aufgespritzte Lösung wurde mit entionisiertem Wasser vom Rand abgespült. Die Titration mit 0,1 N NaOH-Lösung wurde bis zu dem pinkfarbenenen Endpunkt (30 Sekunden) durchgeführt. Die resultierenden Daten für verschiedene Katalysatoren, die gemäß der Erfindung hergestellt wurden, ebenso wie verschiedene Kontrollen, die für vorbekannte wäßrige Hydrierungskatalysatoren aus Palladium und Rhenium auf einem Kohlenstoffträger charakteristisch sind, sind in der folgenden Tabelle angegeben. TABELLE To evaluate the ruthenium/rhenium on carbon catalysts of the invention, a series of batch hydrogenation reactions were carried out using succinic acid as a hydrogenatable precursor (i.e., reactant). The equipment used was a 125 mL autoclave purchased from Autoclave Engineers of Erie, Pennsylvania. The autoclave was equipped with a magnetically coupled stirrer driven by an air motor. A set of removable baffles (three vertical strips of Hastalloy C welded to two Hastalloy C rings) were used to assist in stirring. Gases were pumped into the reactor using a Haskell pump capable of pumping up to 17.24 MPag (2500 psig). The nitrogen used was CP grade from a gas cylinder, the nitrogen came from a gas cylinder, the succinic acid was Baker Analyzed Reagent Grade Crystal, and the water was deionized water. 7% by weight solutions of succinic acid were prepared in 500 gram batches by dissolving 35 grams of succinic acid in 465 grams of deionized water. The solutions were heated to 30ºC to completely dissolve the succinic acid. The solutions were then titrated to accurately determine the percent acid. The procedure used involved adding the catalyst (typically about 0.1 to 0.5 grams) to the reactor, followed by 35 grams of 7% succinic acid solution. The header was then placed on the reactor, screwed into place, and rotated downward. Nitrogen was then pumped into the reactor using the Hastell pump to 2400 psiag to check for any leaks in the system. If the pressure did not remain constant, leaks were detected and repaired using Snoop. If no leaks were detected, the nitrogen was slowly vented. After the nitrogen was vented to atmospheric pressure, hydrogen was pumped into the reactor using the Haskell pump to 8.27 Mpag (1200 psig). The stirrer was set at 700 rpm and the heater was turned on. The contents of the reactor were heated to 250ºC, which took approximately 1 hour. When the internal temperature reached 250ºC, stirring was continued for 3 hours. After stirring at 250ºC for 3 hours, the heater was turned off and cooling water was introduced into the jacket surrounding the reactor. When the reactor contents had cooled to below 25ºC (approximately 0.5 hour), the air motor was turned off and the hydrogen was vented very slowly. Once the hydrogen had been vented to atmospheric pressure, the screws were removed. The contents were quickly withdrawn from the reactor using a 60 mL disposable syringe with a large bore stainless steel needle. After the sample was removed from the reactor, 10 mL was filtered using a 10 mL disposable syringe and a 0.45 micron PTFE syringe filter. A sample of this was analyzed by GC for tetrahydrofuran, 1-propanol, n-butanol, gamma-butyrolactone, and 1,4-butanediol using a Hewlett-Packard 5890A instrument, and a portion was titrated for residual succinic acid. For titration, approximately 8 grams of filtered solution was weighed into a 150 mL beaker, recording the weight to 4 decimal places. A magnetic stir bar and stir plate were used to stir the solution. A few drops of phenolphthalein solution were added, and the solution that splashed on was rinsed from the rim with deionized water. Titration with 0.1 N NaOH solution was carried out to the pink endpoint (30 seconds). The resulting data for various catalysts prepared according to the invention, as well as various controls characteristic of previously known aqueous hydrogenation catalysts of palladium and rhenium on a carbon support, are given in the following table. TABEL

** alle Daten in mmol, wobei THF einschließlich der Berücksichtigung der Dampfphase angegeben ist, auf Grundlage einer Kohlenstoff-Massenbilanz-Berechnung** all data in mmol, with THF including the vapor phase, based on a carbon mass balance calculation

(a) Ru und Re gemeinsam in H&sub2; reduziert: wäßrige Lösung aus RuCl&sub3; und HReO&sub4; auf Kohlenstoff aufgebracht, über Nacht bei 110ºC in vacuo mit N&sub2;-Spülung getrocknet, dann gemeinsam 8 Stunden lang bei 300ºC in einer 1 : 1-Mischung von H&sub2;/He reduziert, siehe Beispiel 1.(a) Ru and Re co-reduced in H2: aqueous solution of RuCl3 and HReO4 deposited on carbon, dried overnight at 110°C in vacuo with N2 purge, then co-reduced for 8 hours at 300°C in a 1:1 mixture of H2/He, see Example 1.

(b) Ru in H&sub2; vorreduziert: 1%-iges Ru als RuCl&sub2;-Lösung auf Kohlenstoff aufgebracht, über Nacht bei 110ºC in vacuo mit N&sub2;-Spülung getrocknet, dann 8 h lang bei 300ºC in einer 1 : 1-Mischung von H&sub2;/He reduziert und dem Reaktor mit HReO&sub4;-Lösung zugegeben, siehe Beispiel 2.(b) Ru pre-reduced in H2: 1% Ru was deposited on carbon as RuCl2 solution, dried overnight at 110°C in vacuo with N2 purge, then reduced for 8 h at 300°C in a 1:1 mixture of H2/He and added to the reactor with HReO4 solution, see Example 2.

(c) Ru und Re gemeinsam im Reaktor reduziert: wäßrige Lösung aus RuCl&sub3; und HReO&sub4; mit 35 g 7%-iger Bernsteinsäure mit Kohlenstoff in Teilchenform in den Reaktor gegeben, mit N&sub2; und dann mit 8,27 MPa (1200 psi) H&sub2; bei 250ºC gespült, endgültiger Druck 15,17-15,86 Mpag (2200-2300 psiag) für die gemeinsame Reduktion in situ, siehe Beispiel 3.(c) Ru and Re reduced together in the reactor: aqueous solution of RuCl₃ and HReO₄ with 35 g of 7% succinic acid with particulate carbon added to the reactor, purged with N₂ and then with 8.27 MPa (1200 psi) H₂ at 250°C, final pressure 15.17-15.86 Mpag (2200-2300 psiag) for in situ co-reduction, see Example 3.

Kohlenstoff A: teilchenförmiger Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von 1500 m²/g und intrinsisch sauer (pH = 4 - 4,5)Carbon A: particulate carbon with a BET surface area of 1500 m²/g and intrinsically acidic (pH = 4 - 4.5)

Kohlenstoff B: teilchenförmiger Kohlenstoff mit einer BET-Oberfläche von 1000 m/g und intrinsisch basisch (pH = 8 - 9)Carbon B: particulate carbon with a BET surface area of 1000 m/g and intrinsically basic (pH = 8 - 9)

BEISPIEL 16EXAMPLE 16

Kontinuierliche Durchläufe wurden in einem Rückvermischungs-Suspensionsreaktor durchgeführt, indem man den gemäß Beispiel 1 in 150 ml Wasser hergestellten Katalysator in einen 300 ml-Hastelloy C-Autoklaven gab, der mit einem Rührer, einem Thermoelement, Zuleitungen für Wasserstoff und Maleinsäure und einer Ableitung, durch die das Produkt mit dem überschüssigen Wasserstoff und Wasserdampf entfernt wurde, ausgerüstet war. Vor der Umsetzung wurde die Katalysatoraufschlämmung eine Stunde lang bei 250ºC unter einem Wasserstoffstrom von 1000 ml/min bei 2000 psig aktiviert. Danach wurde Maleinsäure als 40-gewichtsprozentige wäßrige Lösung bei verschiedenen Beschickungsraten zugeführt und der Reaktor bei 2000 psig und 250ºC gehalten. Die flüchtigen Produkte und Wasser wurden aus dem Reaktor mit einer Geschwindigkeit entfernt, die von der Wasserstoff-Beschickungsrate bestimmt wurde. Die Wasserstoff-Beschickungsrate wurde so eingestellt, daß die Wassermenge, die mit dem austretenden Wasserstoffgas ausgetragen wurde, durch die Wassermenge ausgeglichen wurde, die mit der Maleinsäurebeschickung und der Menge, die durch die Umsetzung erzeugt wurde, zugeführt wurde. Das Reaktorniveau wurde konstant bei 100-200 cm³ gehalten. In allen Fällen wurde ein Wasserstoffüberschuß, bezogen auf die von der Umsetzung verbrauchte Menge, zugegeben und es zeigte sich, daß die Wasserstoff-Beschickungsrate die Katalysatorleistung nicht beeinflußte.Continuous runs were carried out in a backmixed slurry reactor by adding the catalyst prepared in 150 ml of water according to Example 1 to a 300 ml Hastelloy C autoclave equipped with a stirrer, a thermocouple, inlets for hydrogen and maleic acid, and an outlet through which the product was removed with the excess hydrogen and water vapor. Prior to reaction, the catalyst slurry was activated for one hour at 250°C under a hydrogen flow of 1000 ml/min at 2000 psig. Maleic acid was then added as a 40 wt.% aqueous solution at various feed rates and the reactor was maintained at 2000 psig and 250°C. The volatile products and water were removed from the reactor at a rate determined by the hydrogen feed rate. The hydrogen feed rate was adjusted to balance the amount of water carried out with the exiting hydrogen gas with the amount of water supplied with the maleic acid feed and the amount generated by the reaction. The reactor level was kept constant at 100-200 cc. In all cases, an excess of hydrogen was added relative to the amount consumed by the reaction and it was found that the hydrogen feed rate did not affect the catalyst performance.

Die Maleinsäurelösung wurde mit einer niedrigen Anfangs-Beschickungsrate zugegeben, die etwa alle 8 Stunden um 2-3 cm³/h erhöht wurde, bis der Säuregrad des Reaktors 8% erreichte. Danach wurde die Maleinsäure-Beschickungsrate so eingestellt, wie es erforderlich war, um den Säuregrad des Reaktors zwischen 6-10% zu halten.The maleic acid solution was added at a low initial feed rate, which was increased by 2-3 cm³/h approximately every 8 hours until the acidity of the reactor reached 8%. Thereafter, the maleic acid feed rate was adjusted as required to maintain the reactor acidity between 6-10%.

Die Durchläufe wurde einige Wochen lang ohne Unterbrechung durchgeführt, und die Zeiträume während des stationären Betriebszustands wurden für die Analyse ausgewählt, im allgemeinen mit einer Dauer von 8 bis 24 Stunden. Die Produktzusammensetzungs-Daten, die während des stationären Betriebszustands erhalten wurden, wurden gemittelt, um die durchschnittlichen Produktionsraten (g/h) von THF (Tetrahydrofuran), BDO (1,4-Butandiol), GBL (gamma-Butyrolacton), PrOH (n-Propylalkohol), BuOH (n-Butylalkohol) und Alkanen (in erster Linien Butan und Methan) zu erhalten. Die Produktzusammensetzung wurde gemessen, indem man einen Teil der flüchtigen Produkte und des Wassers in dem Austritts-Gasstrom kondensierte und das flüssige Produkt sammelte. Das Volumen des flüssigen Produkts, das jede Stunde gesammelt wurde, wurde gemessen, und seine Zusammensetzung wurde unter Verwendung eines kalibrierten Gaschromatographen (GC), der mit einem Flammenionisationsdetektor ausgerüstet war, analysiert. Die restlichen nicht-kondensierten Produkte (THF und Alkane), die noch in dem Austritts-Gasstrom verblieben waren, wurden analysiert, indem man den Gasdurchsatz maß und dann die Zusammensetzung des Gasstroms alle zwei Stunden unter Anwendung von GC-Verfahren analysierte, die denen ähnlich waren, die für die Analyse der Flüssigkeiten verwendet wurden. Vom Reaktorinhalt wurden alle vier Stunden Proben genommen und mittels GC und Titration analysiert. Eine Titration mit Natriumhydroxid wurde angewendet, um die Säurekonzentration in dem Reaktor zu überwachen, und die Ergebnisse sind als Gewichtsprozent Bernsteinsäure angegeben. Die GC-Analyse wurde unter Verwendung einer Supelcowax-10-Kapillarkolonne (30 m · 0,052 mm) durchgeführt, die nach dem Einspritzen 5 Minuten lang bei 75ºC gehalten und dann um 10ºC pro Minute bis auf eine endgültige Temperatur von 200ºC erwärmt wurde. Die Kombination dieser drei Analyseverfahren erlaubt die Berechnung der Katalysatorleistung in Form der Raum-Zeit-Ausbeute (RZA) (berechnet als Gramm THF, das pro Kilogramm Katalysator pro Stunde erzeugt wurde), der Produktselektivität und der Massenbilanz für jeden Durchlauf.The runs were carried out continuously for several weeks and the periods during the steady state operation were selected for analysis, generally ranging from 8 to 24 hours. The product composition data obtained during the steady state operation were averaged to obtain the average production rates (g/h) of THF (tetrahydrofuran), BDO (1,4-butanediol), GBL (gamma-butyrolactone), PrOH (n-propyl alcohol), BuOH (n-butyl alcohol) and alkanes (primarily butane and methane). The product composition was measured by condensing a portion of the volatile products and water in the exit gas stream and collecting the liquid product. The volume of liquid product collected every hour was measured and its composition was analyzed using a calibrated gas chromatograph (GC) equipped with a flame ionization detector. The remaining non-condensed products (THF and alkanes) still remaining in the exit gas stream were analyzed by measuring the gas flow rate and then analyzing the composition of the gas stream every two hours using GC procedures similar to those used for analyzing the liquids. The reactor contents were sampled every four hours and analyzed by GC and titration. A titration with sodium hydroxide was used to monitor the acid concentration in the reactor and the results are reported as weight percent succinic acid. GC analysis was performed using a Supelcowax-10 capillary column (30 m x 0.052 mm) which was maintained at 75ºC for 5 minutes after injection and then heated at 10ºC per minute to a final temperature of 200ºC. The combination of these three analytical methods allows the calculation of catalyst performance in terms of space-time yield (STY) (calculated as grams of THF produced per kilogram of catalyst per hour), product selectivity and mass balance for each run.

Im ersten Durchlauf wurden 3,5 Gramm Katalysator (Trockengewicht) mit 1% Ruthenium und 4% Rhenium auf einem Kohlenstoffträger verwendet. Die anfängliche Maleinsäure-Beschickungsrate betrug 6 cm³/h und diese wurde in Schritten von 2 cm³/h bis auf 20 cm³/h erhöht, an welchem Punkt der Säuregrad in dem Reaktor 8% erreichte. Danach wurde die Beschichtungsrate so eingestellt, daß der Säuregrad bei 6-10% gehalten wurde. Die anfängliche THF-Produktionsrate (bei der niedrigsten Maleinsäure-Beschickungsrate) betrug 200 RZA (g THF/kg Katalysator·h). Als die Beschickungsrate erhöht wurde, erhöhte sich die Produktionsrate weiter, wobei eine RZA bis zu 2200 erreicht wurde, sobald die Beschickungsrate 20 cm³/h erreichte. Während der nächsten drei Wochen des Betriebs wurde die Aktivität langsam schwächer, wobei schließlich eine THF-Produktionsrate von etwa 600 RZA erreicht wurde.In the first run, 3.5 grams of catalyst (dry weight) containing 1% ruthenium and 4% rhenium on a carbon support was used. The initial maleic acid feed rate was 6 cm3/h and this was increased in 2 cm3/h increments up to 20 cm3/h at which point the acidity in the reactor reached 8%. Thereafter, the coating rate was adjusted to maintain the acidity at 6-10%. The initial THF production rate (at the lowest maleic acid feed rate) was 200 STY (g THF/kg catalyst·h). As the feed rate was increased, the production rate continued to increase, reaching STY up to 2200 once the feed rate reached 20 cm3/h. During the next three weeks of operation, activity gradually decreased, eventually reaching a THF production rate of about 600 RZA.

Ein zweiter Vergleichsdurchlauf wurde wie der obige Durchlauf durchgeführt, außer daß der Katalysator durch 10 g des gleichen Kohlenstoffträgers mit 1% Palladium und 4% Rhenium ersetzt wurde. Die Maleinsäurebeschickung begann bei 12 cm³/h und wurde während fünf Tagen auf 28 cm³/h erhöht. Während dieses Zeitraums stieg der Säuregrad des Reaktors auf bis zu 5% an, und die THF-Produktionsrate stieg auf ein RZA-Maximum von 495 an.A second comparative run was conducted as the above run, except that the catalyst was replaced with 10 g of the same carbon support containing 1% palladium and 4% rhenium. The maleic acid feed started at 12 cc/h and was increased to 28 cc/h over five days. During this period, the reactor acidity increased up to 5% and the THF production rate increased to an STY maximum of 495.

Man sollte sich klar sein, daß für die Ansprüche der Erfindung mit der Angabe "der Katalysator ist gekennzeichnet durch eine Raum-Zeit-Ausbeute in bezug auf die Umwandlung von Maleinsäure in Tetrahydrofuran von über 600 Gramm des Produkts pro Kilogramm Katalysator pro Stunde bei 250ºC und 13,79 MPa (200 psig) Gesamtdruck" ein Katalysator gemeint ist, der sich im wesentlichen so verhält, wie in Beispiel 16 veranschaulicht. Mit anderen Worten dient die Angabe zur Beschreibung des hochaktiven und unempfindlichen Hydrierungskatalysatorsystems gemäß der Erfindung, und zwar bezüglich der Fähigkeit des Katalysators, die THF-Produktion in einem kontinuierlichen Betrieb aufrechtzuerhalten, wobei das flüchtige Produkt durch die überschüssige Gasphase entfernt wird, die den Wasserstoff-Reaktanten unter allen angegebenen Bedingungen enthält (d. h. 250ºC und 13,79 MPa (2000 psig) Gesamt druck). Es ist jedoch noch wichtiger, daß die beschriebene Reaktion so durchgeführt wird, daß der Katalysator sein gesamtes Reaktionspotential zeigen kann und nicht stöchiometrischen Beschränkungen der jeweiligen Reaktanten (d. h. des Wasserstoffs oder der hydrierbaren Vorstufe) unterliegt. Aus pragmatischen Gründen und wie in dem Beispiel veranschaulicht, wird die Zufuhrgeschwindigkeit der Reaktanten zu dem Reaktor eingestellt (erhöht), bis der Katalysator in vollem Umfang genutzt wird. Typischerweise wird dies durch Steuerung des restlichen Säuregehalts des Reaktors und durch Erhöhen des Reaktantenstroms erreicht, bis ein stationärer Zustand von mindestens etwa 5% Säure oder mehr in dem Reaktor herrscht. Bei Säurekonzentrationen unter diesem Wert wird die RZA nicht optimiert und durch die Tendenz einer Überhydrierung des Produktes wird auch die THF-Selektivität herabgesetzt. Die Erfahrung zeigt, daß der Betrieb bei oder über diesem Restsäuregrad RZA-Werte ergibt, die mit den Katalysatorsystemen des Standes der Technik bisher nicht erreicht wurden. Es gelang, Restsäuregrade im Reaktor bis zu zwanzig Prozent zu erreichen, aber man sollte bedenken, daß Bernsteinsäurelösungen dieser Konzentration sich verfestigen, wenn sie nicht bei hohen Temperaturen gehalten werden.It should be understood that for the purposes of the claims of the invention, the statement "the catalyst is characterized by a space-time yield of conversion of maleic acid to tetrahydrofuran of over 600 grams of product per kilogram of catalyst per hour at 250°C and 13.79 MPa (200 psig) total pressure" means a catalyst which behaves substantially as illustrated in Example 16. In other words, the statement is intended to describe the highly active and robust hydrogenation catalyst system of the invention in terms of the ability of the catalyst to sustain THF production in a continuous operation with the volatile product being removed by the excess gas phase containing the hydrogen reactant under all of the specified conditions (i.e., 250°C and 13.79 MPa (2000 psig) total pressure). However, it is even more important that the reaction described be carried out such that the catalyst can exhibit its full reaction potential and is not subject to stoichiometric limitations of the particular reactants (i.e., the hydrogen or the hydrogenatable precursor). For pragmatic reasons, and as illustrated in the example, the feed rate of reactants to the reactor is adjusted (increased) until the catalyst is fully utilized. Typically, this is accomplished by controlling the residual acidity of the reactor and increasing the reactant flow until a steady state of at least about 5% acid or more exists in the reactor. At acid concentrations below this value, STY is not optimized and the tendency for overhydrogenation of the product also reduces THF selectivity. Experience shows that operation at or above this residual acidity gives STY values that have not been achieved with the prior art catalyst systems. It was possible to achieve residual acid levels in the reactor of up to twenty percent, but it should be remembered that succinic acid solutions of this concentration solidify if they are not kept at high temperatures.

Die Vorteile und Verbesserungen der Erfindung sind signifikant und zahlreich. An erster Stelle steht, daß mit dem Katalysatorsystem der Erfindung ein Verfahren zur anhaltenden katalytischen Hydrierung von Maleinsäure, welche in Wasser gelöst ist, mit bisher unerreichten Raum-Zeit-Ausbeuten bereitgestellt wird. Weiterhin wird diese Hydrierung in wäßriger Phase weder durch Verwendung äußerer Zusätze oder Hilfsmittel, wie der Anwesenheit von starken Säuren, erreicht noch hängt die Hydrierung von der Verwendung von Kohlenstoffträgern mit extrem hoher BET-Oberfläche ab. Daher sind der Katalysator und das Verfahren für einen kontinuierlichen industriellen Betrieb geeignet, der die Zugabe von Maleinsäure zu dem Katalysereaktor als wäßrige Lösung und die kontinuierliche Gewinnung des gasförmigen Produkts durch Entfernen des anderen Reaktanten und des Wasserstoffs aus der Reaktionszone umfaßt, was alles einen bedeutenden wirtschaftlichen Vorteil darstellt und schafft, insbesondere in bezug auf den industriellen Maßstab der derzeitigen THF-Produktion. Weitere Kosteneinsparungen werden durch die von Natur aus niedrigeren Kosten der jeweiligen Metalle des Katalysators und den niedrigeren Investitionsbedarf pro Produktionseinheit, der mit der hohen RZA des Katalysators zusammenhängt, erreicht. Ebenso ermöglicht die Entdeckung der hohen Dispersion im Nanometer oder Sub-Nanometerbereich ein Verfahren, den Katalysator und seine jeweilige Leistung zu beschreiben, was wiederum einen Planungsvorteil beim Betrieb einer industriellen Anlage bietet.The advantages and improvements of the invention are significant and numerous. First and foremost, the catalyst system of the invention provides a process for the sustained catalytic hydrogenation of maleic acid dissolved in water with previously unattained space-time yields. Furthermore, this hydrogenation in the aqueous phase is not achieved by the use of external additives or aids such as the presence of strong acids, nor does the hydrogenation depend on the use of carbon supports with extremely high BET surface areas. Therefore, the catalyst and process are suitable for continuous industrial operation involving the addition of maleic acid to the catalytic reactor as an aqueous solution and the continuous recovery of the gaseous product by removal of the other reactant and hydrogen from the reaction zone, all of which represents and creates a significant economic advantage, particularly with respect to the industrial scale of current THF production. Further cost savings are provided by the inherently lower cost of the respective metals of the catalyst and the lower investment requirement per unit of production related to the high STY of the catalyst. Likewise, the discovery of the high dispersion in the nanometer or sub-nanometer range enables a method to characterize the catalyst and its respective performance, which in turn offers a planning advantage in the operation of an industrial plant.

Claims (7)

1. Ein Verfahren zur katalytischen Hydrierung einer hydrierbaren Vorstufe in einer wäßrigen Lösung, das die Schritte umfaßt:1. A process for the catalytic hydrogenation of a hydrogenatable precursor in an aqueous solution, comprising the steps of: (a) Hydrieren einer hydrierbaren Vorstufe in einer wäßrigen Lösung in Gegenwart von Wasserstoff und eines Katalysators, wobei der Katalysator im wesentlichen aus wenigstens 0,1 Gew.-% Ruthenium und wenigstens 0,1 Gew.-% Rhenium auf einem Kohlenstoffträger besteht, wobei die Prozentangaben sich auf das Gesamtgewicht des gestützten Katalysators beziehen, wobei sowohl Ruthenium als auch Rhenium in einem hochdispergierten reduzierten Zustand vorliegen, der dadurch charakterisiert ist, daß Röntgendiffraktion und hochauflösende Transmissions-Elektronenmikroskopie keine erkennbare Metallkristallitstruktur zeigen, wobei der Kohlenstoffträger durch eine BET-Oberfläche von weniger als 2000 m²/g charakterisiert ist; und dann(a) hydrogenating a hydrogenatable precursor in an aqueous solution in the presence of hydrogen and a catalyst, the catalyst consisting essentially of at least 0.1 wt.% ruthenium and at least 0.1 wt.% rhenium on a carbon support, the percentages being based on the total weight of the supported catalyst, both ruthenium and rhenium being in a highly dispersed reduced state characterized by X-ray diffraction and high resolution transmission electron microscopy showing no discernible metal crystallite structure, the carbon support being characterized by a BET surface area of less than 2000 m²/g; and then (b) Gewinnen von wenigstens einem hydrierten Produkt.(b) obtaining at least one hydrogenated product. 2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei die hydrierbare Vorstufe ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Fumarsäure, Bernsteinsäure, Maleinsäure, den diesen Säuren entsprechenden Estern, γ-Butyrolacton und Gemischen daraus.2. A process according to claim 1, wherein the hydrogenatable precursor is selected from the group consisting of maleic acid, maleic anhydride, fumaric acid, succinic acid, maleic acid, the esters corresponding to these acids, γ-butyrolactone and mixtures thereof. 3. Ein Verfahren nach Anspruch 1, worin sowohl das Ruthenium als auch das Rhenium im Sub-Nanometerbereich dispergiert sind.3. A method according to claim 1, wherein both the ruthenium and the rhenium are dispersed in the sub-nanometer range. 4. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei sowohl das Ruthenium als auch das Rhenium hochdispergiert sind mit einem konstanten Zusammensetzungsverhältnis von Ruthenium zu Rhenium, wenn es durch STEM auf den Katalysatorteilchen mit einer räumlichen Auflösung in der Größenordnung von einem Quadratnanometer analysiert wird.4. A process according to claim 1, wherein both the ruthenium and the rhenium are highly dispersed with a constant composition ratio of ruthenium to rhenium when measured by STEM on the catalyst particles analyzed with a spatial resolution on the order of one square nanometer. 5. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Katalysator durch das Verfahren hergestellt wird, das in dieser Abfolge die Schritte umfaßt: Aufbringen sowohl einer Rutheniumverbindung als auch einer Rheniumverbindung auf einen Kohlenstoffträger; Trocknen des Kohlenstoffträgers, der sowohl die Rutheniuverbindung als auch die Rheniumverbindung enthält; und anschließend Reduzieren des Rutheniums und des Rheniums.5. A process according to claim 1, wherein the catalyst is prepared by the process comprising, in this sequence, the steps of: supporting both a ruthenium compound and a rhenium compound on a carbon support; drying the carbon support containing both the ruthenium compound and the rhenium compound; and then reducing the ruthenium and the rhenium. 6. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Katalysator durch das Verfahren hergestellt wird, das in dieser Abfolge die Schritte umfaßt: Aufbringen sowohl einer Rutheniumverbindung als auch einer Rheniumverbindung auf einen Kohlenstoffträger und anschließend Reduzieren des Rutheniums und des Rheniums in situ in einem Hydrierreaktor, wobei das Hydrieren der hydrierbaren Vorstufe in einer wäßrigen Lösung stattfindet.6. A process according to claim 1, wherein the catalyst is prepared by the process comprising, in this sequence, the steps of: supporting both a ruthenium compound and a rhenium compound on a carbon support and then reducing the ruthenium and the rhenium in situ in a hydrogenation reactor, wherein the hydrogenation of the hydrogenatable precursor takes place in an aqueous solution. 7. Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Katalysator durch das Verfahren hergestellt wird, das in dieser Abfolge die Schritte umfaßt: Aufbringen einer Rutheniumverbindung auf einen Kohlenstoffträger; Trocknen des Kohlenstoffträgers, der die Rutheniumverbindung enthält, und anschließend Reduzieren des Rutheniums, bevor eine Rheniumverbindung auf den Kohlenstoffträger aufgebracht und reduziert wird.7. A process according to claim 1, wherein the catalyst is prepared by the process comprising, in this sequence, the steps of: applying a ruthenium compound to a carbon support; drying the carbon support containing the ruthenium compound, and then reducing the ruthenium before applying a rhenium compound to the carbon support and reducing it.
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